Tài liệu Đồ án nghiên cứu các phương pháp đo tán sắc trong sợi quang ppt

Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu sự ra đời và phát triển của thông tin quang, cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang, các ưu điểm và nhược điểm của cáp sợi quang, và các lĩ

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, hệ thống thông tin quang đã chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn quan trọng trên mạng lưới viễn thông Mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú, hiện đại của nhân loại Các hệ thống thông tin quang có những yêu điểm nổi trội hơn hẳn các hệ thống trước đó về băng tần rộng, cự ly thông tin… Điều ấy đã gây sức hấp dẫn mạnh mẽ lên các nhà khai thác tuyến truyền dẫn

Song, trong giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa và tiến đến năm 2020 Việt Nam trở thành một nước công nghiệp, nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc ngày càng tăng cao, và không chỉ dừng lại trong phạm vi lãnh thổ quốc gia mà còn vươn xa ra thế giới Chính vì lẽ đó mà hệ thống thông tin quang cũng phải có một sự phát triển nhanh chóng, trong việc tăng cự ly truyền dẫn , tăng băng thông… Tăng khoảng cách đồng nghĩa với việc băng thông càng hẹp, và trong khi đó, các hệ thống thông tin quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bit cao, phần lớn hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm nhằm sử dụng các bộ khuếch đại quang pha tạp erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn Tuy vậy, một vấn đề gặp phải đối với hệ thống là tán sắc Tán sắc gây ảnh hưởng rất lớn tới hệ thống như làm méo tín hiệu, giao thoa giữa các kí tự ( ISI-intersymbol interference), làm xuống cấp chất lượng truyền dẫn và hậu quả thậm trí không chấp nhận được Nhìn chung hậu quả của tán sắc tới năng lực truyền dẫn, chất lượng hệ thống là rất phức tạp, điều này gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế hệ thông thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa Vì vậy, việc xác định ảnh hưởng của tán sắc một cách định lượng là vô cùng quan trọng, cần thiết để trên cơ sở đó có thể xác định việc bù tán sắc

sợi Để tìm hiểu vấn đề này em đã thực hiên đề tài “Nghiên cứu các phương pháp đo

tán sắc trong sợi quang”

Nội dung của đề tài gồm 3 chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang, nội dung là sự phát triển của hệ thống thông tin quang, và sơ lược về thông tin quang

CHƯƠNG 2: SỢI QUANG

Chương 2 ta đi vào tìm hiểu về các nguyên lý cơ bản của sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang, bắt đầu từ mô hình quang hình học đơn giản tới mô hình lý thuyết sóng chung dựa vào phương trình Maxwell Sau đó chúng ta phần còn lại của chương này để tìm hiểu các cơ sở tán sắc màu và các hiện tượng phi tuyến trong sợi quang

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG

Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu ta sẽ tìm hiểu về ảnh hưởng của tán sắc tới hệ thống thông tin sợi quang, và một số biện pháp để đo chúng

* * *

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 8

1.1 LỊCHSỬPHÁTTRIỂNCỦAHỆTHỐNGTHÔNGTINQUANG 8

1.2 GIỚITHIỆUHỆTHỐNGTHÔNGTINQUANGĐIỂNHÌNH 10

1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản hệ thống thông tin quang 10

1.2.2 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang 13

1.3 ỨNGDỤNGVÀXUTHẾPHÁTTRIỂN 14

1.3.1 Ứng dụng trong Viễn thông 14

1.3.2 Ứng dụng trong dịch vụ tổng hợp 15

CHƯƠNG 2 SỢI QUANG 18

2.1 MỘTSỐVẤNĐỀCƠBẢNVỀÁNHSÁNG 18

2.1.1 Sóng điện từ 18

2.1.2 Quang hình 20

2.1.2.1 Chiết suất khúc xạ (Refractive index) 20

2.1.2.2 Phản xạ, khúc xạ, phản xạ toàn phần và định luật Snell 21

2.1.1 Lượng tử 23

2.2 MÔ TẢ QUANG HÌNH QUÁ TRÌNH TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 24

2.2.1 Cấu tạo cơ bản sợi quang 24

2.2.2 Truyền dẫn ánh sáng trên sợi quang Khẩu độ số NA (Numerical Aperture) 25

2.2.3 Phân loại sợi quang 28

2.3 TRUYỀNSÓNGÁNHSÁNGTRONGSỢIQUANG 32

2.3.1 Hệ phương trình Maxwell 32

2.3.2 Phương trình sóng đặc trưng cho sự lan truyền của sóng điện từ (EM) trong môi trường suy hao 36 2.3.3 Phương trình sóng đặc trưng cho sự lan truyền của sóng điện từ trong ống

2.3.4 Phương trình sóng đặc trưng cho sợi quang 42

2.3.5 Hiểu thêm về mode 43

2.3.5.1 Mode tự nhiên (mode thực hay chính xác) 43

2.3.5.2 Ba loại mode: dẫn, bức xạ và rò 44

2.3.5.3 Vận tốc pha và vận tốc nhóm 44

2.3.5.5 Đường kính trường mode (MFD) 48

2.3.5.6 Chiết suất hiệu dụng 49

2.4 CÁCĐẶCTÍNHTRUYỀNDẪNCỦASỢIQUANG 49

2.4.1 Suy hao 50

2.4.1.1 Tổng quan 50

2.4.1.2 Suy hao do hấp thụ 51

2.4.1.3 Suy hao do tán xạ tuyến tính 53

2.4.1.4 Suy hao do uốn cong 55

2.4.1.5 Suy hao và dải thông 56

2.4.2 Các hiệu ứng phi tuyến 57

2.4.3 Tán sắc 59

2.4.3.1 Tổng quan 59

2.4.3.2 Tán sắc mode 60

2.4.3.3 Tán sắc vật liệu 63

2.4.3.4 Tán sắc ống dẫn sóng 65

2.4.3.5 Tán sắc phân cực mode 67

2.4.3.6 Mối quan hệ giữa tán sắc và dải thông 68

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG 70

3.1 ẢNHHƯỞNGCỦATÁNSẮCĐẾNHỆTHỐNGTHÔNGTINQUANG 70

3.1.1 Dãn xung do tán sắc 70

3.1.2 Ảnh hưởng của tán sắc tới hệ thống thông tin quang 71

3.1.2.1 Phương trình truyền dẫn cơ bản 71

3.1.2.2 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) 73

3.2 CÁCPHƯƠNGPHÁPĐOTÁNSẮCVÀDẢITHÔNGSỢIQUANG 80

3.2.1 Phương pháp đo đáp ứng xung 81

3.2.2 Phương pháp đo trong miền tần số 84

3.2.3 Đo độ rộng băng của tuyến sợi quang 88

3.2.4 Sai số trong đo đặc 89

3.2.5 Giới thiệu về máy phân tích quang phổ 90

3.2.6 Yêu cầu kĩ thật trước khi đo 92

KẾT LUẬN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

* * *

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu hình một hệ thống thông tin quang

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng

Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản của một trạm nặp quang

Hình 1.5 Thành phần chính của một tuyến truyền dẫn quang cự ly xa

Hình 1.6 Kết nối các tổng đài bằng sợi quang

Hình 2.7 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang

Hình 2.8 Cấu tạo của sợi quang

Hình 2.9 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Hình 2.10 Khẩu độ số sợi quang

Hình 2.11 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI)

Hình 2.12 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI

Hình 2.13 Các thông số của sơi đa mode

Hình 2.14 Các thông số của sợi đơn mode

Hình 2.15 Sóng điện từ ngang TEM

Hình 2.16 Sóng điện từ ngang phẳng tắt dần

Hình 2.17 Ống dẫn sóng hình chữ nhật

Hình 2.18 Sự thay đổi các thành phần trường của mode TE10

Hình 2.19 Các đường sức sóng TE10 trong ống dẫn sóng

Hình 2.20 Các đường sức của bốn mode tự nhiên bậc thấp nhất trong sợi SI

Hình 2.21 Đồ thì cường độ và hình mãu sáu mode LP

Hình 2.22 Ví dụ kết hợp các mode HE21+ TE01 và HE21 + TM01 thành các mode LP11

Hình 2.23 Sự tập chung công suất như là hàm của tần số chuẩn hóa V

Hình 2.24 Sự phân bố năng lượng trường trong sợi quang

Hình 2.25 Suy hao trong sợi quang

Hình 2.26 Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại

Hình 2.27 Sự hấp thụ của ion (với nồng độ )

Hình 2.28 Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại

Hình 2.29 Suy hao bên trong sợi quang

Hình 2.30 Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính cong

Hình 2.31 Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng

Hình 2.32 Tán sắc mode trong sợi đa mode SI

Hình 2.33 Độ trải rộng xung mode trong sợi đa mode GI có theo g

Hình 2.34 Sự phụ thuộc của hệ số tán sắc theo bước sóng

Hình 2.35 Tán sắc ống dẫn sóng

Hình 2.36 Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng trong sợi quang

Hình 2.37 Hiện tượng tán sắc ánh sáng qua lăng kính

Hình 2.38 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang bị tán sắc

Hình 2.39 Minh họa tán sắc phân cực mode

Hình 3.1 Nguyên lý phép đo đáp ứng xung

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống đo đáp ứng xung

Hình 3.3 Nguyên lý phương pháp đo quét tần số

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống đo quét tần số

Hình 3.5 Các thành phần chính trong máy phân tích phổ

Hình 3.5 Lọc trung tần

* * *

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG GIỚI THIỆU

Kỹ thuật thông tin quang ngày càng sử dụng rộng rãi trong viễn thông, truyền số liệu, truyền hình cáp… Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu sự ra đời

và phát triển của thông tin quang, cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang, các ưu điểm và nhược điểm của cáp sợi quang, và các lĩnh vực ứng dụng công nghệ thông tin sợi quang

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Việc thông tin liên lạc bằng ánh sáng đã sớm xuất hiện trong sự phát triển loài người khi con người trước đó đã liên lạc với nhau bằng cách ra dấu (Hand signal) Liên lạc bằng cách ra dấu cũng là một dạng của thông tin quang: bởi vì không thể ra dấu trong bóng tối Ban ngày, mặt trời là nguồn ánh sáng cho hệ thống này (hệ thống

"Hand signal") Thông tin được mang từ người gởi đến người nhận dựa vào sự bức xạ mặt trời Mắt là thiết bị thu thông điệp này, và bộ não xử lý thông điệp này Thông tin truyền theo kiểu này rất chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn, và lỗi rất lớn

Một hệ thống quang sau đó, có thể có đường truyền dài hơn, là tín hiệu khói (Smoke signal) Thông điệp được gởi đi bằng cách thay đổi dạng khói phát ra từ lửa Mẫu khói này một lần nữa được mang đến phía thu bằng ánh sáng mặt trời Hệ thống này đòi hỏi một phương pháp mã hóa phải được đặt ra, mà người gởi và người thu thông điệp phải được học nó Điều này có thể có thể so sánh với hệ thống mã xung (pulse codes) sử dụng trong hệ thống số (digital system) hiện đại

Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng mặt trời và lửa

để làm thông tin liên lạc đến nay lịch sử của thông tin quang đã qua những bước phát triển và hoàn thiện có thể tóm tắt bằng những mốc chính sau đây:

- Năm 1775: Paul Revere đã sử dụng ánh sáng để ra hiệu quân đội Anh từ Boston sắp kéo tới

- Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó Thời đó tin tức được truyền với tín hiệu này vượt chặng đường

200 Km trong vòng 15 phút

- Năm 1854: John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên người Anh, đã thực hiện thành công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi trường điện môi trong suốt

- Năm 1870: cũng John Tyndall đã chứng minh được rằng ánh sáng có thể dẫn được theo một vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần

- Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh ra một hệ thống thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone Ông ta đã sử dụng ánh sáng mặt trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi Ở máy thu, ánh sáng mặt trời đã được điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, nó sẽ biến đổi thông điệp thành dòng điện Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống này

Hệ thống photophone chưa bao giờ đạt được thành công trên thương mại, mặc dù nó

đã làm việc tốt hơn, do nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lượng đường truyền

- Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về

hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh

- Vào những năm 1950: Brian O'Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên trong (ánh sáng lan truyền trong lớp này) và lớp bọc (Cladding) bao xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm nhốt ánh sáng ở lõi Sợi này sau đó được các nhà khoa học trên phát triển thành Fibrescope uốn cong (một loại kính soi bằng sợi quang), một thiết bị có khả năng truyền một hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi Tính uốn cong của fiberscope cho phép ta quan sát một vùng mà ta không thể xem một cách bình thường được Đến nay, hệ thống fiberscope vẫn còn được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong ngành y dùng để soi bên trong cơ thể con người

- Vào năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép tăng cường và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi

- Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm tăng dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao

- Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockham thuộc phòng thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh rằng nếu thủy tinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp chất trong thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ được giảm tối thiểu Và họ cho rằng nếu sợi quang

Hình 1.1 Cấu hình một hệ thống thông tin quang

được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều Km

- Năm 1967: suy hao sợi quang được báo cáo là: 1000 dB/Km

- Năm 1970: hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao dB/Km ở bước sóng:  = 633nm

- Năm 1972: loại sợi GI được chế tạo với suy hao dB/Km

- Năm 1983: sợi SM (Single Mode) được sản xuất ở Mỹ

- Năm 1988: Công ty NEC thiết lập một mạng đường dài mới có tốc độ 10 Gbit/s trên chiều dài 80,1 Km dùng sợi dịch tán sắc và Laser hồi tếp phân bố

- Hiện nay, sợi quang có suy hao:  0,2 dB/Km ở bước sóng 1550 nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao thấp hơn giá trị này rất nhiều

1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ĐIỂN HÌNH

1.2.1 Sơ đồ khối cơ bản hệ thống thông tin quang

Hình 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang Nói chung tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối, số liệu hoặc fax được đưa đến

bộ E/O để chuyển thành tín hiệu quang, sau đó gởi vào cáp quang Khi truyền qua sợi quang, công suất tín hiệu (ánh sáng) bị suy yếu dần và dạng sóng bị rộng ra Khi truyền tới đầu bên kia sợi quang, tín hiệu này được đưa vào bộ O/E để tạo lại tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng như ban đầu mà máy điện thoại, số liệu và Fax đã gởi

đi

Như vậy, cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang có thể được mô

tả đơn giản như hình1.2: Bộ phát quang, Bộ thu quang, Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang

- Bộ phát quang: Vai trò của bộ phát quang là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa và đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang Trong hệ thống thông tin quang các nguồn quang được sử dụng là điode pháp quang (LED) và laser bán dẫn (Laser Diode _ LD) Chúng có nhiều ưu điểm như: Kích thước nhỏ, hiệu suất chuyển đổi quang điện rất cao, có vùng bước sóng phát quang thích hợp với sợi quang và có thể điều biến trực tiếp bằng dòng bơm với tần số khá cao

- Bộ thu quang: Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính

và kênh phục hồi Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc APD Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang

là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỉ lệ lỗi bít (BER) cho phép

- Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang: phương tiện để truyền tín hiệu

Trên hình 1.2 chỉ mới minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo một hướng Hình 1.3 minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo hai hướng

Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng

Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản một trạm nặp quang

Như vậy, để thực hiện truyền dẫn giữa hai điểm cần có hai sợi quang Nếu cự

ly thông tin quá dài thì trên tuyến có thể có một hoặc nhiều trạm lặp (Repeater) Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp (cho một hướng truyền dẫn) được minh họa ở hình 1.4

- Khối O/E: khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang này sẽ được thu nhận và biến trở lại thành tín hiệu điện như ở đầu phát Đó là chức năng của khối O/E ở bộ thu quang Các linh kiện hiện nay được sử dụng để làm chức năng này là PIN và APD, và chúng thường được gọi là linh kiện tách sóng quang (photo-detector)

- Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất tín hiệu quang bị suy yếu dần (do sợi quang có độ suy hao) Nếu cự ly thông tin quá dài thì tín hiệu quang này có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất còn rất thấp đầu thu không nhận biết được, lúc này ta phải sử dụng trạm lặp (hay còn gọi là trạm tiếp vận) Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang Và cuối cùng đưa tín hiệu quang này lên đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu Như vậy, tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều ở dạng quang, và trong trạm lặp có cả khối O/E và E/O

- Khối E/O: bộ phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến tín hiệu điện đó thành tín hiệu quang, và đưa tín hiệu quang này lên đường truyền (sợi quang) Đó là chức năng chính của khối E/O ở bộ phát quang Thường người ta gọi khối E/O là nguồn quang Hiện nay linh kiện được sử dụng làm nguồn quang là LED

và LASER

Và ta có thành phần chính của một tuyến truyền dẫn quang được thể hiện như

Thu quang

Sửa dạng

Phát quang

Tín hiệu quang Tín hiệu quang

- Dải thông rộng Sợi quang có băng thông rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể lên đến hàng THz

- Trọng lượng nhẹ Trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng Một cáp quang có 2 sợi quang nhẹ hơn 20% đến 50% cáp Category 5 có 4 đôi Cáp quang

có trọng lượng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn

- Kích thước nhỏ Cáp sợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp

- Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp

- Tính an toàn Vì sợi quang là một chất điện môi nên nó không dẫn điện

- Tính bảo mật Sợi quang rất khó trích tín hiệu Vì nó không bức xạ năng lượng điện từ nên không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang

- Tính linh hoạt Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video

- Vấn đề sửa chữa Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp

- Vấn đề an toàn lao động Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể Ngoài ra, không được nhìn trực diện đầu sợi quang hay các khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận được nên không thể điều tiết khi có nguồn năng lượng này, và sẽ gây nguy hại cho mắt

1.3.1 Ứng dụng trong Viễn thông

Cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống truyền dẫn quang - truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hình thức thông tin khác về dung lượng kênh, kinh tế mà thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dương Công nghệ ngày nay đã tạo ra kỹ thuật thông tin quang phát triển và thay đổi theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất

Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ điều này đã làm đơn giản việc tăng được chiều dài toàn tuyến thông tin quang Thêm vào đó khi công nghệ thông tin quang kết hợp và khuếch đại quang ra đời làm tăng chiều dài đoạn lên gấp đôi hoặc gấp n lần Như vậy chất lượng tín hiệu thu trên hệ thống này sẽ được cải thiện một cách đáng kể

Ở nước ta, thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng Các tuyến cáp quang được hình thành, đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội - Hồ

Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong thông tin toàn quốc Trong tương lai mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp Tuyến đường trục cáp quang sẽ được

rẽ nhánh tới các tỉnh, thành phố, quận, huyện và xây dựng tuyến cáp quang nội hạt

Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:

- Mạng đường trục xuyên quốc gia

- Mạng riêng của các công ty đường sắt, điện lực,

- Đường trung kế

- Đường cáp thả biển liên quốc gia

- Đường truyền số liệu, mạng LAN

Hình 1.6 Kết nối các tổng đài bằng sợi quang

- Truyền hình cáp

Các công ty truyền hình cáp đang triển khai các đường cáp quang để truyền tải những tín hiệu chất lượng cao từ trung tâm đến các vị trí trung chuyển phân bố xung quanh các thành phố (hình 1.7) Sợi quang nâng cao được chất lượng của các tín hiệu truyền hình và làm tăng số kênh khả dụng Trong tương lai cáp quang có thể nối trực tiếp đến các hộ gia đình cung cấp nhiều dịch vụ mới cho người sử dụng Những dịch vụ dựa trên cáp quang như truyền hình tương tác, giao dịch ngân hàng tại gia, hay làm việc từ một hệ thống văn phòng tại gia đã được đưa vào kế hoạch sử dụng trong tương lai Sợi quang là phương tiện lý tưởng cho truyền số liệu tốc độ cao Tín hiệu không bị méo bởi nhiễu từ môi trường xung quanh Tính cách điện của sợi quang tạo ra một giao tiếp an toàn giữa các máy tính, các thiết bị đầu cuối,

và các trạm làm việc Rất nhiều trung tâm máy tính đang sử dụng cáp sợi quang để cung cấp các đường truyền số liệu tốc độ cao ở các mạng LAN

NÓI CHUNG

Với đặc tính suy hao thấp, băng thông rộng, kích thước nhỏ, nhẹ, không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp làm cho sợi quang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như lĩnh vực viễn thông: viễn thông đường dài, viễn thông quốc tế sử dụng cáp quang vượt đại dương, mạng trung kế, mạng nội hạt thuê bao; lĩnh vực công nghiệp: đường truyền tín hiệu điều khiển tự động trong hệ thống tự động, công

Hình 1.7 Mạng truyền hình cáp

nghiệp dệt; lĩnh vực y học; lĩnh vực quân sự Sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu dưới dạng ánh sáng nên các nguồn tín hiệu điện được chuyển thành ánh sáng bằng cách sử dụng LED hoặc LASER Quá trình này được xử lý và diễn ra ở đầu phát, và được gọi là bộ phát quang Tín hiệu quang này được ghép vào sợi và truyền đến bộ thu quang Sau khi đến đầu thu, các tín hiệu này được chuyển trở lại thành tín hiệu điện thông qua linh kiện PIN hoặc APD Mặc dù sợi quang có suy hao thấp nhưng tín hiệu vẫn bị suy yếu, do đó đôi lúc trên hệ thống cũng cần bộ lặp quang, còn gọi trạm tiếp vận

Với tiềm năng về băng thông nên hệ thống truyền dẫn sợi quang đã và đang phát triển trong hệ thống truyền dẫn số đường dài, tốc độ cao từ hàng trăm Mega bit/s đến hàng Tera bit/s nhờ sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM

* * *

CHƯƠNG 2 SỢI QUANG GIỚI THIỆU

Sợi quang là một môi trường thông tin đặc biệt có thể so sánh với các môi trường khác như cáp đồng hoặc không gian tự do Một sợi quang cung cấp một môi trường truyền dẫn suy hao thấp trên một dải tần số rộng lớn ít nhất là 2.5 THz, hay cao hơn với các loại sợi quang đặc biệt, dải thông của nó rộng hơn dải thông của cáp đồng hay bất cứ môi trường truyền dẫn nào Dải thông này có thể truyền hàng trăm triệu cuộc gọi đồng thời, hoặc hàng chục triệu trang web trong một giây Ðặc tính suy hao thấp cho phép truyền tín hiệu ở khoảng cách dài với tốc độ cao trước khi chúng được khuếch đại Với hai đặc tính suy hao thấp và dải thông cao nên hệ thống thông tin sợi quang đã được sử dụng rộng rãi ngày nay

Khi hệ thống truyền dẫn phát triển ở khoảng cách xa hơn và tốc độ bit cao hơn, độ tán sắc trở thành một hệ số giới hạn quan trọng Tán sắc là hiện tượng các thành phần khác nhau của tín hiệu di chuyển với vận tốc khác nhau trong sợi Ðặc biệt, tán sắc màu là hiện tượng các thành phần tần số (hoặc bước sóng) của tín hiệu di chuyển với vận tốc khác nhau Nói chung, tán sắc dẫn đến việc xung bị trải rộng ra

và vì vậy đáp ứng xung của các bit gần nhau giao thoa với nhau Trong hệ thống thông tin, điều này dẫn đến sự chồng xung của các bit gần nhau Hiện tượng này được gọi là giao thoa giữa các kí tự gần nhau (InterSymbol Interference - ISI) Khi một hệ thống phát triển lên một số lượng lớn bước sóng, khoảng cách và tốc độ bit cao hơn, các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang bắt đầu xảy ra Như chúng ta sẽ thấy, có sự tương tác phức tạp của các hiệu ứng phi tuyến với tán sắc màu

Chúng ta bắt đầu chương này bằng cách thảo luận các nguyên lý cơ bản của sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang, bắt đầu từ mô hình quang hình học đơn giản tới

mô hình lý thuyết sóng chung dựa vào phương trình Maxwell Sau đó chúng ta phần còn lại của chương này để tìm hiểu các cơ sở tán sắc màu và các hiện tượng phi tuyến trong sợi quang

2.1.1 Sóng điện từ

Trong môi trường không gian tự do, ánh sáng là sóng điện từ ngang (TEM ) Khái niệm ngang (transverse) có nghĩa là cả hai véc tơ - điện trường E và từ trường

H vuông góc với phương truyền, trục z trong hình 2.1

- Tần số: Ký hiệu: f Đơn vị: Hz (Hertz), hay cps (cycle per second)

- Bước sóng: Ký hiệu:  Đơn vị: m (m, nm) Ký hiệu:  Đơn vị: m (m, nm)

- Giữa tần số và bước sóng có mối quan hệ sau:

Với c là vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 3.108 m/s

- Khoảng cách tần số (f) và khoảng cách bước sóng () Lấy đạo hàm (2.1) theo tần số trung tâm 0, ta thu được mối quan hệ giữa khoảng cách tần số và khoảng cách bước sóng:

- Phổ sóng điện từ

Hình 2.1 Sóng điện từ hình tĩnh a) Theo thời gian b) theo không gian

 Vùng ánh sáng nhìn thấy được: chiếm dải phổ từ 380 nm đến 780 nm

 Vùng hồng ngoại: chia làm 3 phần: Vùng hồng ngoại gần: 780 nm ÷ 1400 nm Vùng hồng ngoại giữa: 1,4 m ÷ 6 m Vùng hồng ngoại xa: 6 m ÷ 1 mm

 Ánh sáng dùng trong thông tin quang: 800 nm (1600nm (như vậy nằm trong vùng hồng ngoại gần và một phần vùng hồng ngoại giữa)

 Ba bước sóng ánh sáng thông dụng dùng trong các hệ thống thông tin quang được gọi là 3 cửa sổ quang: Cửa sổ 1: 1 = 850 nm Cửa sổ 2: 2 = 1300 nm.Cửa sổ 3: 3

= 1550 nm Cửa sổ 4: 4 = 1625 nm

2.1.2 Quang hình

2.1.2.1 Chiết suất khúc xạ (Refractive index)

Ánh sáng có thể xem như là một chùm tia sáng Các tia sáng lan truyền trong các môi trường khác nhau với vận tốc khác nhau Có thể xem các môi trường khác nhau cản trở sự lan truyền canh sáng bằng các lực khác nhau Điều này được đặc trưng bằng chiết suất khúc xạ của môi trường

Chiết suất của một môi trường trong suốt (n) được xác định bởi tỉ số giữa vận tốc ánh sáng lan truyền trong chân không với vận tốc của ánh sánh lan truyền trong môi trường ấy:

Hình 2.2 Phổ sóng điện từ

(2.3) Với:

n: chiết suất của môi trường, không có đơn vị

v: vận tốc ánhsáng trong môi trường, (m/s)

c: vận tốc ánh sáng trong chân không, (m/s)

Chiết suất của một vài môi trường thông dụng:

Không khí: n = 1,00029  1,0

Nước: n = 4/31,33

Thủy tinh: n = 1,48

Vì v  c nên n  1

2.1.2.2 Phản xạ, khúc xạ, phản xạ toàn phần và định luật Snell

Ánh sáng truyền thẳng trong môi trường đồng nhất, bị phản xạ và khúc xạ tại biên ngăn cách hai môi trường đồng nhất khác nhau Như vậy, ba đặc điểm cơ bản của ánh sáng là: Truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ

Tổng quát, khi một tia sáng tới mặt ngăn cách giữa hai môi trường, tia sáng này bị tách ra làm hai phần: một phần dội lại môi trường đầu (hiện tượng phản xạ), một phần truyền tiếp qua môi trường hai Tia truyền tiếp bị lệch hướng truyền so với tia ban đầu (hiện tượng khúc xạ) Ðiều này được minh họa ở hình 2.3

Hình 2.3 Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng

Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới Góc phản xạ bằng góc tới (1' = 1)

Từ phương trình (2.5) kết hợp n1 < n2 suy ra 1 > 2 (xem hình 2.4)

Như vậy, khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất nhỏ sang môi trường có chiết suất lớn hơn, tia khúc xạ lệch về phía gần pháp tuyến hay lệch xa mặt ngăn cách giữa hai môi trường 1 và 2

b) n1> n2:

Từ phương trình (2.4) kết hợp với n1> n2 suy ra 1 < 2 (xem hình 2.5 (a)) Như vậy, khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn tia khúc xạ lệch về phía xa pháp tuyến hay lệch gần về phía mặt ngăn cách giữa hai môi trường 1 và 2 Cho nên khi tăng góc tới 1 = c < 90 thì 2 = 90 (hình 2.5 (b)) Và khi 1 > c thì tia tới bị phản xạ hoàn toàn về môi trường 1, và được gọi là hiện tượng phản xạ hoàn toàn (total reflection) c được gọi là góc giới hạn (critical angle)

Từ phương trình (2.4) suy ra:

Hình 2.4 Ánh sáng đi từ môi trường chiết suất nhỏ sang môi trường

chiết suất lớn

2.1.1 Lượng tử

- Mỗi nguyên tử chỉ có thể chiếm một số mức năng lượng rời rạc Điều này được diễn tả bằng sơ đồ mức năng lượng như trên hình 2.6

- Nguyên tử có khuynh hướng tồn tại ở mức năng lượng thấp nhất

- Ðể kích thích nguyên tử nhảy lên mức năng lượng cao hơn, chúng phải được cung cấp một năng lượng bên ngoài Quá trình này gọi là "bơm"

- Khi nguyên tử nhảy lên mức năng lượng cao hơn, nó hấp thụ một lượng năng lượng từ bên ngoài Lượng này đúng bằng độ chênh lệch về năng lượng giữa hai mức cao và thấp xảy ra việc nhảy này

- Khi nguyên tử rơi từ mức năng lượng cao xuống một mức năng lượng thấp hơn, nó bức xạ ra một lượng tử năng lượng điện từ gọi là photon (Điều này chỉ đúng đối với chuyển tiếp có bức xạ )

Hình 2.5 Hiện tượng phản xạ toàn phần a) Còn tia khúc xạ b) Xuất hiện tia phản xạ ( tia3)

Hình 2.6 Sơ đồ mức năng lượng

- Photon là hạt cơ bản di chuyển với vận tốc ánh sáng c, và mang một lượng tử năng lượng:

hay  (eV) (2.6) trong đó h là hằng số Planck (6.6261x10-34 J.s) và f là tần số của photon

- Ánh sáng là dòng photon Màu sắc của nó được xác định bởi tần số photon f,

đó cũng là bước sóng, , bởi vì f = c, trong đó c là vận tốc của ánh sáng trong chân không

- Năng lượng của photon, EP, bằng khe (độ chênh lệch) năng lượng giữa mức bức xạ cao và mức năng năng lượng thấp, tần số photon (bước sóng) được xác định qua mức năng lượng của vật chất được sử dụng

- Các mức năng lượng đã tồn tại tự nhiên; vì vậy chúng ta có thể đạt các màu ánh sáng khác nhau bằng cách sử dụng các mức năng lượng cùng vật liệu hoặc dùng các vật liệu khác nhau

- Photon được hấp thụ bởi vật liệu mà các khe năng lượng của chúng đúng bằng năng lượng photon Ðể làm cho môi trường trong suốt, chúng ta phải lựa chọn hoặc các photon khác, tức là ánh sáng màu sắc khác, hoặc môi trường khác

2.2 MÔ TẢ QUANG HÌNH QUÁ TRÌNH TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG

2.2.1 Cấu tạo cơ bản sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm

có hai lớp: Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1

Sợi quang giống như một dây dẫn hình trụ trong suốt có tác dụng truyền dẫn ánh sáng Sợi quang có ba lớp, lớp trong cùng là lõi sợi hình trụ được làm bằng vật liệu thủy tinh có chiết suất Bao quanh lõi là lớp vỏ để phản xạ ánh sáng Lớp vỏ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất Ánh sáng truyền từ đầu này đến đầu kia sợi quang bằng cách phản xạ toàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi-lớp bọc,

và được định hướng trong lõi

Thêm vào đó, các sợi quang thường có thêm một lớp vỏ để bảo vệ Lớp vỏ có thể là thủy tinh hoặc vật liệu trong suốt Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do điều kiện bên ngoài, sợi quang còn được đặt thêm một lớp nữa đó là vỏ bảo vệ sợi quang (lớp phủ) Lớp vỏ bảo vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào sợi, gia cường thêm cho sợi, bảo vệ sợi không bị lượn sóng, kéo dãn hoặc cọ sát bề mặt Lớp

vỏ này được gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp

2.2.2 Truyền dẫn ánh áng n ợi quang Khẩu độ số NA (Numerical Aperture)

Như đã nói ở trên, ánh sáng truyền trong sợi quang theo ba định luật: định luật truyền thẳng, định luật khúc xạ, và định luật phản xạ Để tìm hiểu về sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang ta đi tìm hiểu hai định luật cơ bản của ánh sáng là định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị đổi hướng khi truyền qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau Phản xạ là hiện tượng tia sáng truyền đi bị phản xạ lại môi trường ban đầu khi gặp bề mặt phản

xạ Ta xét một ví dụ như sau:

Hình 2.7 Ánh sáng lan truyền trong sợi quang

Hình 2.8 Cấu tạo của cáp sợi quang

Một tia sáng truyền từ môi trường thứ nhất có chiết suất n1 sang môi trường

thứ hai có chiết suất n2 trong đó n1 > n2 Tia sáng tới mặt phân cách của hai môi

trường một phần bị phản xạ, một phần bị khúc xạ theo các góc và các tia như hình trên.Theo định luật phản xạ ánh sáng: Góc phản xạ bằng góc tới:  =

Mặt khác tia khúc xạ tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1.sin = n2.sin Do

n > n2 nên  <  Nếu tăng góc tới  thì góc khúc xạ tang theo tới một giá trị nào đó mà góc tới  = thì góc khúc xạ  = 900 Khi đó tia khúc xạ song song với mặt mặt phân cách hai môi trường Lúc này là giá trị tới hạn của góc tới (gọi là góc tới hạn) Lúc này không còn tia khúc xạ nữa Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần

Góc tới hạn :

Điều kiện xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:

- Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn (có chiết suất lớn) sang môi trường kém chiết quang (có chiết suất nhỏ hơn).Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

- Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang, nhờ sự phản xạ ánh sáng liên tục trong sợi quang mà thông tin được truyền đi

từ đầu này tới đầu kia

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần như trên, sợi quang được chế tạo gồm một lõi bằng thủy tinh có chiết suất n1 và một lớp vỏ bằng thủy tinh có chiết suất n2,

với n1 > n2 Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần nhiều lần trên

mặt tiếp giáp giữa lớp lõi và lớp vỏ Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi dọc

Hình 2.9 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Hình 2.10 Khẩu độ số sợi quang

theo cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong có giới hạn Góc tới hạn giữa lõi và vỏ sợi quang là , do đó góc tiếp nhận ánh sáng tới hạn sẽ thỏa mãn điều kiện:

= = = = √ = √ =√ = NA (2.8)

Do đó chiết suất không khí là =1 nên NA= sin =√ NA được gọi là

độ mở số của sợi quang, io là góc tiếp nhận ánh sáng cực đại, nó sẽ tạo thành một hình nón, trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của sợi quang với góc i > nằm ngoài hình nó sẽ không truyền trong sợi quang mà đi ra ngoài vỏ sợi quang Như vậy, chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và lớp vỏ, khi đó tia sáng đi theo đường dích dắc Nếu gọi ∆ là độ lệch chiết suất tương đối giữa lõi và lớp vỏ thì: =

2.2.3 Phân loại sợi quang

Có nhiều loại sợi quang, nó được phân loại theo nhiều cách khác nhau Dưới đây là hai cách phân loại chính

- Phân loại theo chỉ số chiết suất

Theo sự biến đổi chỉ số chiết suất sợi quang phân thành hai loại:

 Sợi có chiết suất nhảy bậc SI (step index): là loại sợi có chiết suất biến đổi từ lõi ra đến vỏ theo những bậc thẳng xác định

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc:

Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiên tượng tán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần

Hình 2.12 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI

 Sợi có chiết suất biến đổi đều GI (Grade index): Là sợi có chiết suất biến đổi giảm dần từ vỏ vào lõi

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng lại có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng lại có vận tốc truyền nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parabol thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

- Các dạng chiết suất khác

Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến, ngoài ra còn có một số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biệt:

 Dạng giảm chiết suất lớp bọc:

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất  nhưng có chiết suất lõi n1 không cao

 Dạng dịch độ tán sắc:

Hình 2.13 Các thông số của sơi đa mode

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ ở trên

- Phân loại theo phương pháp truyền sóng

Theo phương pháp truyền sóng thì sợi quang được chia thành hai loại chính là sợi đơn mode SM (single mode) và sợi đa mode MM (multi mode) Sợi đơn mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó Sợi đa mode là sợi cho phép nhiều mode truyền trong nó Các sợi đơn mode đều là những sợi có đường kính rất nhỏ vì điều kiện đơn mode của sợi quang là sợi phải có đường kính nhỏ hơn một giá trị xác định (tương ứng với bước sóng cắt), nếu bước sóng truyền vào nhỏ hơn đường kính thì không còn là sợi đơn mode

- Sợi đa mode (MM: Multi Mode)

125  m

n1

n2

9  m

Hình 2.14 Các thông số của sợi đơn mode

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125m) là: Đường kính lõi: d

= 2a = 50m; Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125m; Độ chênh lệch chiết suất: = 0,01 = 1%; Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 =1,46 Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần

- Sợi đơn mode (SM: Single Mode )

Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì sợi được gọi là đơn mode Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là: Đường kính lõi: d = 2a = 9m

 10m; Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125m; Độ lệch chiết suất:  = 0,003 = 0,3%; Chiết suất lõi: n1 = 1,46

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng  = 1300 nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng được do đó sợi đơn

2.3 TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG

2.3.1 Hệ phương ình Maxwell

Sợi quang là một ống dẫn sóng hình trụ trong đó ánh sáng lan truyền trên cở

sở của lý thuyết mode Các mode là các lời giải của các phương trình Maxwell cho các điều kiện biên cụ thể Các phương trình Maxwell xác định mối liên hệ giữa hai thành phần của ánh sáng là trường điện E và trường từ H Lý thuyết lan truyền sóng điện từ là phương pháp tốt nhất để mô tả sự lan truyền của xung ánh sáng lan truyền trong sợi quang Để hiểu được phương pháp này, chúng ta cần giải phương trình Maxwell cho ống dẫn sóng hình trụ

Lý thuyết của Maxwell dựa trên một tập bốn phương trình, đó là các phương trình Maxwell Tập phương trình này, được viết dưới dạng vi phân là [2]:

Trong đó, ý nghĩa của các thuật ngữ như sau:

Toán tử del ∇ được định nghĩa:

D =0E + P ( 2.16) Với:

0 là hằng số điện [F/m]

P là vectơ phân cực điện

Đối với môi trường tuyến tính, đẳng hướng hoặc cường độ điện trường không quá lớn

 là độ dẫn điện của môi trường, đo bằng [A/V.m]

Phương trình (2.17) gọi là định luật Gauss đối với trường điện Định luật này phát biểu như sau: "Thông lượng của vectơ cảm ứng điện giữa qua mặt kín bất kỳ bằng tổng các điện tích ảo phân bổ trong thể tích bao bởi mặt kín đó " Divergence (toán tử del) của trường điện bằng mật độ điện tích khối của nguồn

Phương trình (2.18) gọi là định luật Gauss đối với trường từ Định luật này

ý luôn luôn bằng không " Điều này chứng tỏ: trường vectơ cảm ứng từ B không có nguồn Trong tự nhiên không tồn tại các từ tích là nguồn của trường từ, giống như các điện tích là nguồn của trường điện

Phương trình (2.19) gọi là định luật cảm ứng điện từ Faraday Phương trình này cho thấy: Sức điện động cảm ứng có giá trị bằng và ngược dấu với tốc độ biến thiên từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi vòng dây Điều này chứng tỏ: trường từ biến đổi theo thời gian sinh ra trường điện xoáy phân bố trong không gian Chính mối liên hệ này dẫn tới quá trình lan truyền trường điện từ trong không gian tạo nên sóng điện từ

Phương trình (2.20) gọi là định luật lưu số Ampere Định luật này khẳng định: lưu số của vectơ cường độ trường từ theo đường kín tùy ý bằng tổng đại số cường độ các dòng điện chảy qua diện tích bao bởi đường kín đó Điều này chứng tỏ: sự biến đổi của trường điện theo thời gian làm xuất hiện trường từ phân bố trong không gian, trường này có tính xoáy Chính mối liên hệ giữa trường điện biến đổi theo thời gian

và trường từ phân bố trong không gian dẫn tới quá trình truyền trường điện từ biến thiên trong không gian

Đối với môi trường có độ dẫn điện không như sợi quang thì các phương trình Maxwell được viết lại như sau:

Với biểu diễn thành phần trường điện E hoặc trường từ H và vp là vận tốc pha (vận tốc lan truyền của điểm song có pha cố định) trong môi trường điện môi Vận tốc pha được tính như sau:

= 0 expj(t - k.r) (2.38) Với  là tần số góc, t là thời gian, k là vectơ lan truyền cho biết hướng lan truyền và tốc độ thay đổi pha theo khỏang cách, còn r là tọa độ của điểm quan sát Nếu  là bước sóng quang trong chân không, thì biên độ của vectơ lan truyền hay hằng số lan truyền pha trong chân không k (với k =⎜k⎪) sẽ được cho bởi:

về sóng TEM phẳng Sóng TEM phẳng Hình 2.16 minh họa sóng TEM

- Thuật ngữ phẳng có nghĩa là các sóng được phân cực trong cùng một mặt phẳng Trên hình 2.15 trường điện E được phân cực trong mặt phẳng x-z vì vậy E thay đổi biên độ nhưng không thay đổi định hướng: nó không bao giờ rời khỏi mặt phẳng x-z Tương tự trường từ luôn luôn nằm trong nằm trong mặt phẳng y-z Chúng ta nói E được phân cực x và H có phân cực y

- Thuật ngữ ngang có nghĩa là các vectơ E và H đều vuông góc với hướng lan truyền; tức là trục z trên hình 2.15

Hình 2.15 Sóng điện từ ngang TEM

- Nhƣ vậy, sóng TEM có dạng nhƣ sau [2]:

2.3.3 Phương ình óng đặc ưng cho ự lan truyền của óng điện từ trong ống dẫn sóng chữ nhật

Chúng ta đã xem xét sự lan truyền của trường EM trong môi trường không bị giới hạn Trên thực tế sợi quang tập trung và dẫn ánh sáng đi trong lõi Để hiểu được sợi quang hoạt động như thế nào, chúng ta cần tìm hiểu cách thức ống dẫn sóng dẫn sóng EM như thế nào Do đó trong phần này chúng ta sẽ xem xét ngắn gọn ví dụ cổ điển về lý thuyết ống dẫn sóng, ống dẫn sóng hình chữ nhật Ống dẫn sóng hình chữ nhật có các thành ống làm từ các vật dẫn lý tưởng (độ dẫn điện ), bên trong được làm đầy bằng chất điện môi lý tưởng (độ dẫn điện bằng không) Hình 2.17 cho thấy một ống dẫn sóng chữ nhật có chiều rộng là a và chiều cao là b Độ dày của thành ống có thể

phần dọc Ez  0, Hz = 0

Lời giải cho phương trình (2.44) cho các giá trị rời rạt của h được gọi là giá trị đặc trưng:

Với l, m là các số nguyên, a và b là chiều rộng và chiều cao của ống dẫn sóng

Lời giải cho phương trình (2.44) cho trường điện ngang có dạng:

H x (x, y) = (l / b)H 0sin(lx/ b)cos(my/a)

H y (x, y) = (m /a)H 0cos(lx / b)sin(my /a)

H z (x, y) = (m /a)H 0cos(my / a)

E x (x, y) = (j /h 2)(m /a)H 0cos(lx/b)sin( my/a) (2.46)

E y (x, y) = (j/h 2)(l/b) H 0sin(lx/b)cos(my/a)

E z (x, y) = 0

Và tương tự cho sóng từ ngang TM

Phân tích công thức (2.43), chúng ta sẽ thấy ý nghĩa của các số nguyên l và

m Chúng là số lượng nữa chu kỳ mà sóng EM thực hiện qua ống dẫn sóng Ví dụ, sóng điện ngang TE10 (l = 1 và m = 0) có một nửa chu kỳ dọc theo trục y và không có nữa chu kỳ nàodọc theo trục x như được minh họa trên hình (2.18) và (2.29)

Từ công thức (2.46) và các hình (2.18) và (2.19) có thể rút ra hai kết luận quan trọng sau:

- Trường EM lan truyền dọc theo ống dẫn sóng có các dạng trường ổn định Các dạng trường này gọi là mode Đây là một cách giải thích khác về mode mà chúng

ta đã định nghĩa trong phần 2.2.3.4 như sau: một mode sóng là một trạng thái truyền

ổn định của ánh sáng trong sợi quang

- Không phải tất cả các sóng điều hòa đều có thể tồn tại trong ống dẫn sóng Điều kiện để tồn tại một sóng điều hòa là một nửa bước sóng của nó phải phù hợp với